2.5. Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы, блок-схему установки.

2. Таблицы экспериментальных данных.

3. Основные расчетные формулы. Рассчитанные и экспериментально снятые ДН спиральных антенн в полярной или декартовой системе координат, представленные на одном рисунке.

4. Результаты расчетов ширины главного лепестка и КНД СА по формулам (2.6), (2.7) (КНД рассчитать в децибеллах и относительных единицах).

5. Выводы по работе.

3. Измерение коэффициента усиления рупорной антенны

3.1. Теоретические сведения

Все параметры, характеризующие антенны, можно разделить на 2 группы. К первой группе следует отнести параметры, характеризующие антенну как элемент цепи приёмопередающего тракта. Так, передающая антенна может рассматриваться как нагрузка для выходного каскада передатчика и описываться соответствующими параметрами теории цепей: входным сопротивлением, коэффициентом отражения и т. д. Приёмная антенна с этой точки зрения может рассматриваться как обладающий определённым внутренним сопротивлением источник напряжения.

Ко второй группе следует отнести параметры, характеризующие антенну как элемент, преобразующий энергию, поступающую по фидерному тракту, в энергию электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве, и распределяющий в пространстве интенсивность полей этих волн (передающая антенна). Приёмная же антенна может рассматриваться как устройство, преобразующее энергию пространственных электромагнитных волн (с учётом направления их прихода) в энергию волн фидера. В эту группу включены такие параметры и характеристики, как коэффициент полезного действия (КПД), диаграмма направленности (ДН), коэффициент направленного действия (КНД), коэффициент усиления (КУ) и др.

Как правило, в реальных антеннах всегда имеются необратимые потери энергии, связанные, в основном, с конечным значением проводимости металла и неидеальностью диэлектрика. Из-за этого мощность , преобразованная антенной, всегда будет меньше мощности, поступающей в антенну. КПД антенныхарактеризует эффективность преобразования энергии и определяется соотношением.

Другие параметры второй группы, упомянутые здесь, определяются для дальней зоны антенны.

В дальней зоне (зоне излучения) электромагнитное поле, созданное антенной, представляет собой поперечную волну со сферическим волновым фронтом. Дальняя зона формируется при удалении от антенны на расстояние R, удовлетворяющее следующим условиям:

,R >> ,, (3.1)

где L– максимальный линейный размер апертуры антенны;– рабочая длина волны.

ДН описывает пространственное распределение амплитуды поля излучения антенны в дальней зоне.

КНД антенны Dхарактеризует степень концентрации антенного излучения в заданном направлении (обычно в направлении максимального излучения). По определению, значение коэффициента направленного действия показывает, во сколько раз плотность потока мощности излучения рассматриваемой антенны в заданном направлении больше плотности потока мощности, создаваемого изотропным (ненаправленным) излучателем при условии равенства полных мощностей, излучаемых рассматриваемой и изотропной антеннами. Как показано в теории антенн, КНД апертурной антенны с синфазным раскрывом можно найти по формуле

, (3.2)

где – эффективная площадь апертуры;S– её геометрическая площадь;g– апертурный коэффициент использования поверхности раскрыва (КИП), связанный с распределением по апертуре касательной составляющей поляследующим соотношением:

.

КУ антенны Gпоказывает, во сколько раз плотность потока мощности излучения антенны в заданном направлении больше плотности потока мощности, создаваемого идеальным (без потерь) изотропным излучателем при условии равенства мощностей, подводимых к рассматриваемой и изотропной антеннам. Из определения видно, что КУ антенны характеризует степень концентрации излучения в пространстве с учётом потерь в антенне. Между КУ и КНД существует связь:G=D.

На практике нередко значения КНД или КУ определяют в децибелах (дБ). Коэффициент усиления G₁(в дБ) связан с величинойG, выраженной в относительных единицах, равенствомG₁= 10lgG.

В данной работе производятся измерения коэффициентов усиления рупорных антенн.

Рупорная антенна состоит из отрезка волновода постоянного сечения размером и собственно рупора, представляющего собой волновод с плавно изменяющимся сечением, с размерами раскрыва. На практике применяются 2 типа прямоугольных рупоров – секториальные и пирамидальные. Секториальными называются рупоры, у которых расширяется только одна пара стенок. В зависимости от того, в какой плоскости происходит расширение, различаютЕ-плоскостные (,) иН-плоскостные (,) рупоры. Пирамидальными называются рупоры, расширяющиеся как в плоскости вектораЕ, так и в плоскости вектораН.

Характеристики излучения рупорной антенны определяются структурой поля в ее раскрыве. В общем случае ДН плоской прямоугольной излучающей апертуры размеромописывается выражением

. (3.3)

Функции иопределяются амплитудно-фазовым распределением поля в раскрыве апертуры в плоскостях векторовE иHсоответственно.

Для рупорной антенны с достаточной точностью можно считать, что амплитуда поля в раскрыве распределена так же, как и амплитуда поля основной волны прямоугольного волновода , т. е. имеет косинусоидальное распределение вдоль осиxи равномерное вдоль осиy:

.

В случае синфазного раскрыва ((x,y) =const) функцииибудут определяться формулами

,, (3.4)

,. (3.5)

Значение КИП для синфазной апертуры с таким амплитудным распределением g = 0,81.

Ф

Рис. 3.1

азовое распределение в апертуре реальной рупорной антенны будет отлично от равномерного. Рассмотрим причину несинфазности раскрыва на примереН-плоскостного рупора (рис. 3.1). Волнапитающего волновода, переходя в рупор, трансформируется в волну с цилиндрическим фазовым фронтом, которая как бы исходит из линейного источникаA, находящегося на пересечении продолжений граней рупора. Если приближенно считать, что цилиндрическая волна распространяется между параллельными широкими стенками рупора с волновым числомk, то набег фазы в точке апертуры с координатойxравенkr(x), а в центре апертуры –(– длинаН-плоскостного рупора). Таким образом, разность фаз в точках с координатамиxи 0

.

Предполагая, что угол раскрыва рупора мал, заменим корень в этом выражении первыми двумя членами разложения Маклорена:

. (3.6)

Отсюда видно, что расфазировка возрастает от центра к краю апертуры приблизительно по квадратичному закону и максимальное её значение – фазовая ошибка – достигается на краю раскрыва:

. (3.7)

Диаграмма направленности Н-плоскостного рупора с фазовым распределением (3.6) описывается формулой (3.3), гдеопределяется выражением (3.4), апри условии малости угла раскрыва рупора даётся интегралом

,

который может быть представлен линейной комбинацией специальных функ­ций – интегралов Френеля [6].

На рис. 3.2 представлены диаграммы направленностив плоскостиН(= 0) для рупора с размеромпри различных значенияхнормированной длины рупора и, согласно (3.7), максимальной фазовой ошибки. Кривая 2 соответствует значению= 20, кривая 3 –= 10,4 – = 5. Для сравнения там же приведена диаграмма направленности синфазного раскрыва (кривая1). Как видно из графиков, наличие в раскрыве квадратичной фазовой ошибки (3.6) приводит к деформации ДН: заплывают нули, увеличивается уровень бокового излучения, расширяется основной лепесток.

Рис. 3.2

Аналогичным образом влияет на диаграмму направленности в плоскости Е() дляЕ-плоскостного рупора фазовая ошибка, определяемая выражением

.

В этом случае для расчёта диаграммы направленности рупора в формулу (3.3) следует подставить из (3.5), абудет выражаться интегралом

,

также сводимым к линейной комбинации интегралов Френеля.

Влияние фазовой ошибки в раскрыве рупорной антенны проявляется в том, что значение КИП зависит от относительных размеров рупора ,,,. Таким образом, КНДН-плоскостного рупора будет определяться выражением

,

где – функция, определяющая зависимость КИП (g) от комбинации параметрови. Пользуясь общим выражением для КИП, нетрудно показать, что

.

Удобнее, однако, иметь дело с приведённым КНД , поскольку при варьировании размеровН-плоскостного рупора отношениеостаётся неизменным. Очевидно, приведённый КНДН-плоскостного рупора будет определяться выражением

.

Аналогичным образом можно найти и приведённый КНД для Е-плос­костного рупора:

,

где

.

На рис. 3.3 и 3.4 изображены графики зависимостей приведённых КНД иот нормированных размеров раскрываидляH- и E-плоскостных рупоров соответственно. Параметры на рис. 3.3 ина рис. 3.4 принимают значения от 2 (кривая1) до 6 (кривая 11) с шагом 0,4. Как видно из этих графиков, с увеличением относительных размеров раскрыва рупора (или) при его неизменной длинеКНД сначала возрастает, так как увеличиваются размеры излучающей поверхности, которая остаётся практически синфазной (сдвиг фазмал). При этом ДН становится уже. При дальнейшем увеличении размеров раскрыва заметно растут фазовые искажения, что приводит к снижению КНД и расширению ДН.

Рис. 3.3

Допустимое значение максимальной фазовой ошибки определяется условием получения наибольшего КНД при заданной относительной длинерупора. Установлено, что в случаеЕ-плоскостного рупора максимальный КНД получается при выполнении соотношения, что

Рис. 3.4

соответствует максимальной допустимой фазовой ошибке . Оптимальная длина и максимальная допустимая фазовая ошибкаН-плоско­стного рупора определяются, соответственно, выражениямии.

Увеличение допустимого сдвига фаз в апертуре Н-плоскостного рупора по сравнению сЕ-плоскостным объясняется спаданием амплитуды возбуждающего поля к краям этого рупора.

Следует отметить, что «оптимальность» здесь понимается в смысле получения наибольшего значения КНД при заданной длине рупора или.

Коэффициент направленного действия оптимального Е- илиН-плоско­стного рупора

.

КНД пирамидального рупора с размерами раскрыва иможно рассчитать по формуле

, (3.8)

где приведённые значения КНД для секториальных рупоров имогут быть определены по графикам на рис. 3.3 и 3.4.